Grafen

Trójwymiarowy model struktury grafenu
Wzór strukturalny grafenu
Grafen
Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku
Problem z odtwarzaniem tego pliku? Zobacz strony pomocy.
Geometria warstw grafenowych

Grafen – płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, w przybliżeniu jest strukturą dwuwymiarową. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne.

Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 roku w pracy Philipa Russella Wallace’a(inne języki)[1]. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac[2], w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Na początku lat 80. XX wieku pojawiały się artykuły wskazujące, że grafen można jednak wytworzyć[3]. W 2004 roku nastąpił przełom – równolegle grupy z Georgii[4] i Manchesteru[5] pokazały, że wytworzony przez nie grafen ma unikatowe własności, które zostały przewidziane wcześniej. Po tych publikacjach nastąpiło przyspieszenie prac nad grafenem – zarówno pod kątem czysto badawczym, jak i w poszukiwaniu coraz lepszych metod wytwarzania tego materiału.

Za badania grafenu Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymali w 2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki[6].

Właściwości

Grafen jest materiałem zbudowanym z atomów węgla połączonych wiązaniami o hybrydyzacji sp²[9].

Grafen jest półprzewodnikiem z zerową (zamkniętą[potrzebny przypis]) przerwą energetyczną[11] lub półmetalem[12]. Znaczy to, że pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa są ze sobą złączone, ale nie przenikają się[13], tworząc tzw. stożek Diraca[14][15]. Struktura pasmowa w grafenie jest więc odmienna od większości znanych kryształów. Półprzewodniki są kryształami o małej przerwie energetycznej (w grafenie zerowa), natomiast w metalach pasma walencyjne i przewodnictwa przenikają się (w grafenie stykają się). Grafen ma cechy obu materiałów, ale nie jest ściśle żadnym z nich[potrzebny przypis].

Ważną cechą grafenu jest też liniowa zależność dyspersyjna energii od pędu[16]. W klasycznych materiałach energia wyraża się przez kwadrat pędu (energia kinetyczna określana jest jako mv²/2 lub tożsamościowym wzorem p²/2m). W kryształach struktura pasmowa wyraża zależność energii od pędu (na osi „x” jest pęd określony przez wektor falowy „k”, a na osi pionowej jest energia). W grafenie zależność energii od pędu nie jest określona wzorem p²/2m a pc’, gdzie c’ jest wartością stałą. Taka zależność występuje w nielicznych kryształach oraz w przypadku światła (E = pc).

Omawiane właściwości powodują, że elektrony w grafenie są bezmasowymi fermionami Diraca[17]. W praktyce przekłada się to na wysokie parametry przewodnictwa cieplnego i elektrycznego, a także na szereg kwantowych efektów (anomalny kwantowy efekt Halla, rezonansowy efekt Ramana, chiralność, pseudospin, tunelowanie Kleina)[18].

Jednym z efektów związanych z liniową zależnością dyspersyjną jest unikalna absorpcja grafenu. Pochłanianie światła zachodzi wtedy, gdy elektron z pasma walencyjnego może pochłonąć foton (efekt fotoelektryczny). Jest to możliwe, jeśli różnica energii między danym punktem z pasma walencyjnego i przewodnictwa jest taka sama jak energia fotonu. W grafenie w okolicy tzw. punktu K jest liniowa zależność dyspersyjna i zamknięta przerwa energetyczna[18]. Powoduje to, że każda długość fali światła (każdy kolor) w zakresie od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu może być zaabsorbowana przez grafen, ponieważ zawsze znajdzie się taki elektron, który będzie mógł pochłonąć dany foton. Ponadto prawdopodobieństwo zaabsorbowania każdej długości fali światła jest takie samo.

Dla ultrafioletu efekt nie zachodzi, ponieważ równanie E = pc’ nie jest spełnione w tym obszarze energii. Dla podczerwieni energie są bardzo małe i wektor falowy (pęd) staje się bardzo bliski punktowi K, co powoduje szereg efektów kwantowych zaburzających absorpcję. Zatem dla światła widzialnego absorpcja dla różnych długości fali jest taka sama[potrzebny przypis]. Należy przy tym pamiętać, że grafen jest jednowarstwowym materiałem, co powoduje, że pochłania tylko bardzo małą część światła padającego (2,3%). Stąd mówi się, że materiał ten jest bardzo przezroczysty, a jednocześnie mocno absorbuje światło (jak na tak cienki materiał).

Właściwości biologiczne

W dziedzinie biomedycyny grafen może być wykorzystywany w celach diagnostycznych, wykazuje również potencjał terapeutyczny jako nośnik leku w systemach drug delivery[19][20][21][22][23]. Grafen i jego pochodne wykazują potencjalne zastosowanie w inżynierii tkankowej i charakteryzują się właściwościami antybakteryjnymi; te możliwości czynią je odpowiednimi kandydatami do wytwarzania struktur nanohybrydowych mających zastosowanie w różnych dziedzinach biomedycznych, takich jak różnicowanie tkanek, regeneracja i leczenie stanów zapalnych[24]. Nanohybrydy grafenowe zostały wyprodukowane jako potencjalnie skuteczne rusztowania opatrunkowe mające na celu gojenie się ran. Idea takich nanohybrydowych rusztowań opierała się na synergistycznym działaniu grafenu na regulację stanów zapalnych, a także na jego zdolności regeneracyjnej. Wysoka zdolność antybakteryjna jest głównie związana z fizycznymi uszkodzeniami występującymi podczas bezpośredniego kontaktu z błonami bakteryjnymi ostrych krawędzi arkuszy grafenowych, podczas gdy działanie regeneracyjne opiera się na potencjale rusztowania do promowania adhezji i proliferacji mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC)[25].

Wiele prac badawczych ujawniło skuteczność grafenu przeciwko bakteriom Gram-dodatnim i Gram-ujemnym w zależności od różnorodnych mechanizmów i czynników związanych zarówno ze składnikami bakterii, jak i samymi nanocząstkami[26][27].

Zastosowanie

Materiał ten ma szansę w wielu zastosowaniach zastąpić krzem[28][29]. Naukowcy amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology (MIT) zbudowali eksperymentalny grafenowy mnożnik częstotliwości, co oznacza, że jest w stanie odebrać przychodzący sygnał elektryczny pewnej częstotliwości i wyprodukować sygnał wychodzący, stanowiący wielokrotność tej częstotliwości. W tym przypadku układ stworzony przez MIT podwoił częstotliwość sygnału elektromagnetycznego. Testy przeprowadzone przez IBM wykazały, że tranzystor wytworzony w procesie technologicznym 240 nm jest w stanie osiągnąć częstotliwość do 100 GHz[30].

Przezroczystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz do produkcji energii odnawialnej z modułów fotowoltaicznych[31] i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach[32] bądź także w superkondensatorach[33]. Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji, znajdując zastosowanie np. w monitoringu i ochronie środowiska.

Wytwarzanie

Grafen wytwarzany jest wieloma technikami, a każda z nich ma inne potencjalne zastosowanie w nauce i przemyśle. Odrywanie mechaniczne przy użyciu taśmy klejącej z wysokiej jakości grafitu służy głównie do zastosowań czysto badawczych. Tak otrzymany grafen ma bardzo wysokie parametry ruchliwości[34], jednak nie może być wytwarzany na masową skalę ze względu na ogromne koszty. Do niedawna tak otrzymywany grafen był wręcz najdroższym materiałem na świecie. Jednak w nauce nie są potrzebne duże rozmiary próbek, a tego rodzaju grafen można wytwarzać w każdym laboratorium.

Inną techniką wytwarzania grafenu jest osadzanie z fazy gazowej (CVD, z ang. chemical vapor deposition) na metalach. Proces ten zapoczątkowali Koreańczycy[35][36], a obecnie jest wykorzystywany w wielu laboratoriach na świecie. Dzięki tej metodzie grafen stał się znacznie tańszym materiałem – koszt produkcji grafenu na miedzi jest znacząco niższy, niż grafenu otrzymywanego z grafitu. Jednocześnie grafen na miedzi ma znacząco niższą jakość niż grafen otrzymywany z grafitu i nie może być zastosowany do produkcji urządzeń elektronicznych. Można go jednak stosować do budowy ekranów dotykowych, gdzie jakość (liczba defektów, wielkość domen i jednorodność) nie jest tak bardzo istotna.

Kolejną metodą jest wytwarzanie grafenu na węgliku krzemu. Metoda wytwarzania węgla przez rozkład termiczny SiC pozwala na otrzymywanie dużych powierzchni wysokiej jakości grafenu. Koszt podłoża SiC jest jednak bardzo wysoki. Na grafenie wyhodowanym na SiC powstał pierwszy grafenowy układ scalony[30].

W 2011 roku Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego poinformowały o wspólnym opracowaniu technologii pozyskiwania dużych fragmentów grafenu o najlepszej dotąd jakości[37].

W 2015 roku Politechnika Łódzka zaprezentowała urządzenie do produkcji grafenu z fazy ciekłej, które pozwala na wytwarzanie wielkopowierzchniowych płatów grafenowych o właściwościach bliskich teoretycznym. Swój produkt nazwała HSMG (ang. High Strength Metallurgical Graphene)[38]. W 2016 r. metoda HSMG uzyskała ochronę patentową w UE i USA[39].

Zobacz też

Informacje w projektach siostrzanych
 Multimedia w Wikimedia Commons
 Definicje słownikowe w Wikisłowniku


Przypisy

  1. ↑ P.R. Wallace, The Band Theory of Graphite, „Physical Review”, 71 (9), 1947, s. 622–634, DOI: 10.1103/PhysRev.71.622 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  2. ↑ R.E. Peierls, Bemerkungen über Umwandlungstemperaturen, „Helv. Phys. Acta”, 7, 1934 [dostęp 2021-03-16] (niem.).
  3. ↑ A.J. Van Bommel, J.E. Crombeen, A. Van Tooren, LEED and Auger electron observations of the SiC(0001) surface, „Surface Science”, 48 (2), 1975, s. 463–472, DOI: 10.1016/0039-6028(75)90419-7 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  4. ↑ Claire Berger i inni, Ultrathin Epitaxial Graphite: 2D Electron Gas Properties and a Route toward Graphene-based Nanoelectronics, „The Journal of Physical Chemistry B”, 108 (52), 2004, s. 19912–19916, DOI: 10.1021/jp040650f [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  5. ↑ K.S. Novoselov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, „Science”, 306 (5696), 2004, s. 666–669, DOI: 10.1126/science.1102896, PMID: 15499015 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  6. ↑ The Nobel Prize in Physics 2010 [online], Nobel Prize Foundation [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  7. ↑ Alexander A. Balandin i inni, Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene, „Nano Letters”, 8 (3), 2008, s. 902–907, DOI: 10.1021/nl0731872 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  8. ↑ R.R. Nair i inni, Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene, „Science”, 320, 2008, s. 1308, DOI: 10.1126/science.1156965.
  9. ↑ a b Properties Of Graphene [online], Graphenea [dostęp 2021-03-16].
  10. ↑ Mateusz Truszkiewicz, Grafen z nanoporami umożliwi tańsze odsalanie wody [online], www.nanonet.pl, 12 lutego 2013 [zarchiwizowane z adresu 2013-12-13].
  11. ↑ Elektronika plastikowa i organiczna. Grafen [online], Uniwersytet Jagielloński [zarchiwizowane z adresu 2016-03-05].
  12. ↑ K. Sierański i inni, Półprzewodniki i struktury półprzewodnikowe, Wrocław 2002.
  13. ↑ Claus F. Klingshirn, Semiconductor Optics, 2012, ISBN 3-642-28362-4 [dostęp 2021-03-16].
  14. ↑ M. Sprinkle i inni, First Direct Observation of a Nearly Ideal Graphene Band Structure, „Physical Review Letters”, 103 (22), 2009, art. nr 226803, DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.226803 [dostęp 2021-03-16].
  15. ↑ J Hicks i inni, The structure of graphene grown on the SiC $(0\,0\,0\bar{1})$ surface, „Journal of Physics D: Applied Physics”, 45 (15), 2012, art. nr 154002, DOI: 10.1088/0022-3727/45/15/154002 [dostęp 2021-03-16].
  16. ↑ Tematy prac licencjackich 2009/2010 (tok zwykły) [online], Zakład Fizyki Ciała Stałego UW [dostęp 2021-03-16].
  17. ↑ A.K. Geim, K.S. Novoselov, The rise of graphene, „Nature Materials”, 6 (3), 2007, s. 183–191, DOI: 10.1038/nmat1849 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  18. ↑ a b A.H. Castro Neto i inni, The electronic properties of graphene, „Reviews of Modern Physics”, 81 (1), 2009, s. 109–162, DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  19. ↑ John J. Castillo i inni, Detection of cancer cells using a peptidenanotube–folic acid modified graphene electrode, „The Analyst”, 138 (4), 2013, s. 1026–1031, DOI: 10.1039/C2AN36121C [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  20. ↑ Juanni Chen, Xiuping Wang, Heyou Han, A new function of graphene oxide emerges: inactivating phytopathogenic bacterium Xanthomonas oryzae pv. Oryzae, „Journal of Nanoparticle Research”, 15 (5), 2013, s. 1658, DOI: 10.1007/s11051-013-1658-6 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  21. ↑ Chaofan Hu i inni, Fabrication of Reduced Graphene Oxide and Sliver Nanoparticle Hybrids for Raman Detection of Absorbed Folic Acid: A Potential Cancer Diagnostic Probe, „ACS Applied Materials & Interfaces”, 5 (11), 2013, s. 4760–4768, DOI: 10.1021/am4000485 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  22. ↑ Oh Seok Kwon i inni, Large-Scale Graphene Micropattern Nano-biohybrids: High-Performance Transducers for FET-Type Flexible Fluidic HIV Immunoassays, „Advanced Materials”, 25 (30), 2013, s. 4177–4185, DOI: 10.1002/adma.201301523 [dostęp 2020-09-16] (ang.).
  23. ↑ Xindong Wang i inni, Electrochemical immunosensor with graphene quantum dots and apoferritin-encapsulated Cu nanoparticles double-assisted signal amplification for detection of avian leukosis virus subgroup J, „Biosensors and Bioelectronics”, 47, 2013, s. 171–177, DOI: 10.1016/j.bios.2013.03.021 [dostęp 2020-09-16] (ang.).
  24. ↑ Luoran Shang i inni, Graphene and Graphene Oxide for Tissue Engineering and Regeneration, [w:] Wenguo Cui, Xin Zhao (red.), Theranostic Bionanomaterials. Micro and Nano Technologies, Elsevier, 2019, s. 165–185, DOI: 10.1016/b978-0-12-815341-3.00007-9, ISBN 978-0-12-815341-3 (ang.).
  25. ↑ Kandasamy Vinothini, Mariappan Rajan, Investigation on the use of graphene as a unique drug delivery platform for dissimilar anticancer drugs, „Progress in Bioscience and Bioengineering”, 1 (1), 2017, DOI: 10.29269/pbb2017.v1i1.2 [dostęp 2020-09-16] (ang.).
  26. ↑ Roda F. Al-Thani, Noorunnisa Khanam Patan, Mariam A. Al-Maadeed, Graphene oxide as antimicrobial against two gram-positive and two gram-negative bacteria in addition to one fungus, „OnLine Journal of Biological Sciences”, 14 (3), 2014, s. 230–239, DOI: 10.3844/ojbsci.2014.230.239 [dostęp 2020-09-16] (ang.).
  27. ↑ Hüseyin Enis Karahan i inni, Graphene Materials in Antimicrobial Nanomedicine: Current Status and Future Perspectives, „Advanced Healthcare Materials”, 7 (13), 2018, s. 1701406, DOI: 10.1002/adhm.201701406 [dostęp 2020-09-16] (ang.).
  28. ↑ Piotr Kościelniak, Przyszłość komputerów jest czarna [online], Rzeczpospolita, 30 stycznia 2009 [dostęp 2021-03-16].
  29. ↑ Colin Barras, Organic computing takes a step closer [online], New Scientist, 29 stycznia 2009 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  30. ↑ a b Y.-M. Lin i inni, 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial graphene, „Science”, 327 (5966), 2010, s. 662, DOI: 10.1126/science.1184289, PMID: 20133565 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  31. ↑ Będziemy mieli energię słoneczną z grafenu? [online], Gazeta Wyborcza, 29 czerwca 2013 [dostęp 2021-03-16].
  32. ↑ Łukasz Partyka, Grafenowe gadżety – prototypy za trzy lata [online], Gazeta.pl Next, 10 października 2012 [dostęp 2021-03-16].
  33. ↑ Mariusz Błoński, Grafenowe superkondensatory coraz doskonalsze [online], kopalniawiedzy.pl, 2 sierpnia 2013 [dostęp 2021-03-16].
  34. ↑ K.I. Bolotin i inni, Ultrahigh electron mobility in suspended graphene, „Solid State Communications”, 146 (9–10), 2008, s. 351–355, DOI: 10.1016/j.ssc.2008.02.024, arXiv:0802.2389 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  35. ↑ X. Li i inni, Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, „Science”, 324 (5932), 2009, s. 1312–1314, DOI: 10.1126/science.1171245, PMID: 19423775 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  36. ↑ Zheng Han i inni, Homogeneous Optical and Electronic Properties of Graphene Due to the Suppression of Multilayer Patches During CVD on Copper Foils, „Advanced Functional Materials”, 24 (7), 2014, s. 964–970, DOI: 10.1002/adfm.201301732, arXiv:1205.1337v1 [dostęp 2021-03-16] (ang.).
  37. ↑ Mariusz Błoński, Polski grafen lepszy od konkurencji [online], kopalniawiedzy.pl [dostęp 2021-03-16].
  38. ↑ Karolina Tatarzyńska, W Łodzi opracowano nową metodę wytwarzania grafenu [online], Gazeta Wyborcza, 18 stycznia 2015 [dostęp 2021-03-16].
  39. ↑ Polska metoda produkcji grafenu z patentem w USA i UE, [w:] Nauka w Polsce [online], PAP, 7 kwietnia 2016 [dostęp 2021-03-16].

Linki zewnętrzne

Odmiany alotropowe węgla